基于快速開(kāi)關(guān)的抗晃電技術(shù)應(yīng)用

萬(wàn)新新，王 鼎

(1.安徽徽電科技股份有限公司，安徽 合肥 230093;2.安徽尚途電力保護(hù)設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230093)

0 引言

大中型企業(yè)，特別是連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)型的企業(yè)，須配備完備的供電電源，多母線、多變壓器、多斷路器拓?fù)涑蓮?fù)雜的供電系統(tǒng)。電壓級(jí)別多涉及到110 kV，35 kV，10(6) kV，400 V。企業(yè)內(nèi)網(wǎng)任何一個(gè)支路出現(xiàn)短路都會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的電壓跌落，而且發(fā)生短路的支路電壓等級(jí)越高，影響面越大。短路發(fā)生后，該支路的保護(hù)裝置將動(dòng)作于支路斷路器跳閘，切除故障支路。

現(xiàn)有的微機(jī)綜保控制斷路器切除短路故障的時(shí)間大多需要80 ms 左右，這也是母線電壓凹陷的時(shí)間。電壓凹陷是指從短路發(fā)生時(shí)刻，母線電壓陡降，至短路故障被切除，電壓恢復(fù)正常這段過(guò)程，企業(yè)一般稱為“晃電”現(xiàn)象，國(guó)標(biāo)稱為電壓暫降。

1 晃電的危害性

現(xiàn)有的保護(hù)裝置和開(kāi)關(guān)設(shè)備，切除故障的時(shí)間很難滿足敏感性重要負(fù)載對(duì)低電壓容忍的時(shí)間，這也是某條支路短路導(dǎo)致其他重要支路大片停機(jī)的原因所在。一旦一條支路發(fā)生短路故障，引起母線電壓迅速跌落，同一母線下其他支路重要負(fù)載因低電壓而受到影響，可導(dǎo)致停機(jī)停產(chǎn)事故的發(fā)生，這給企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失。

短路故障過(guò)程中，異步電動(dòng)機(jī)在低電壓期間以發(fā)電方式向短路故障點(diǎn)反饋輸出短路電流，直到繞組內(nèi)的磁場(chǎng)衰減完畢或短路點(diǎn)被切除，此過(guò)程為“一次沖擊”。一般異步電動(dòng)機(jī)的衰減時(shí)間常數(shù)τ為30 ms 左右，就是說(shuō)只要短路故障持續(xù)3τ左右的時(shí)間，電機(jī)磁場(chǎng)就會(huì)衰減殆盡；當(dāng)短路故障點(diǎn)被切除時(shí)刻，母線電壓進(jìn)入恢復(fù)期，所有在網(wǎng)的異步電動(dòng)機(jī)同時(shí)重建磁場(chǎng)，向電網(wǎng)索取相當(dāng)于電機(jī)群額定電流總和的5～7 倍無(wú)功電流，形成強(qiáng)烈的電流沖擊，稱為“二次沖擊”。二次沖擊電流在該系統(tǒng)變壓器和線路的阻抗上會(huì)形成較大的壓降，降低了電動(dòng)機(jī)的機(jī)端電壓，延緩了母線電壓的恢復(fù)過(guò)程，造成長(zhǎng)時(shí)間的低壓過(guò)流。當(dāng)造成沖擊電流的電機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到本系統(tǒng)電源容量的40 %以上時(shí)，母線電壓極易停留在70 %以下，一旦這些電機(jī)處于額定負(fù)載狀態(tài)，必然導(dǎo)致電機(jī)群失穩(wěn)停轉(zhuǎn)。

2 晃電事故實(shí)例分析

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某公司25 萬(wàn)t 精己二酸項(xiàng)目一次主接線如圖1 所示，110 kV 側(cè)及10 kV 側(cè)均為單母線分列運(yùn)行，1 號(hào)、2 號(hào)變壓器容量40 MVA，總降站內(nèi)有多路饋出線，由總降站的兩段母線分別去下級(jí)開(kāi)閉所，有南區(qū)、北區(qū)、綜合、熱電等。圖1 中僅示意了熱電及北區(qū)開(kāi)閉所的接線情況，其他開(kāi)閉所等同。

圖1 一次主接線

2.2 事故過(guò)程描述及分析

2.2.1 事故過(guò)程

熱電開(kāi)閉所的污水變支路開(kāi)關(guān)柜內(nèi)因有老鼠進(jìn)入，導(dǎo)致了兩相短路故障，微機(jī)保護(hù)裝置故障，并未啟動(dòng)支路斷路器k1 動(dòng)作。此過(guò)程中，總降站母線電壓跌落嚴(yán)重，總降及熱電開(kāi)閉所快切裝置閉鎖未動(dòng)作，北區(qū)、南區(qū)、綜合等開(kāi)閉所內(nèi)的快切裝置均啟動(dòng)失壓快切功能，將故障電源切除，采用正常電源供電?？烨泄δ茈m都已經(jīng)啟動(dòng)，可是仍然導(dǎo)致各開(kāi)閉所內(nèi)不少敏感重要負(fù)荷跳機(jī)。短路故障持續(xù)約200 ms 后，熱電開(kāi)閉所的進(jìn)線開(kāi)關(guān)k2 跳閘，切除短路故障，而短路點(diǎn)的開(kāi)關(guān)k1 約在故障發(fā)生后的500 ms 后最終動(dòng)作切除短路點(diǎn)。

本次事故導(dǎo)致熱電開(kāi)閉所熱電Ⅱ段所有負(fù)荷全部停機(jī)以及其他開(kāi)閉所內(nèi)的帶變頻器的電動(dòng)機(jī)及其他敏感負(fù)荷都停機(jī)，事故影響范圍很大，直接造成該單位約千萬(wàn)元級(jí)的損失，并且恢復(fù)生產(chǎn)需要的時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2.2 事故分析

微機(jī)保護(hù)裝置故障導(dǎo)致該支路斷路器未及時(shí)動(dòng)作，是整個(gè)事故的首要原因，但本系統(tǒng)配置的所有快切裝置沒(méi)有起作用，也是導(dǎo)致其他開(kāi)閉所的負(fù)荷停機(jī)的重要原因。

敏感類(lèi)負(fù)荷對(duì)電源的要求如下：開(kāi)關(guān)電源、電磁閥、低壓繼電器可容忍的凹陷寬度一般為20～30 ms；無(wú)低電壓穿越功能的變頻設(shè)備可容忍的凹陷寬度不大于30 ms；交流接觸器可容忍的凹陷寬度不大于40 ms；電動(dòng)機(jī)群可容忍的凹陷寬度不大于50 ms。

為進(jìn)一步分析快切裝置的切換時(shí)間，調(diào)取快切裝置事故及相關(guān)錄波記錄核實(shí)。啟動(dòng)方式：欠壓?jiǎn)?dòng)；切換方式：串聯(lián)；實(shí)現(xiàn)方式：快速切換；啟動(dòng)跳閘時(shí)間：59 ms；完成跳閘時(shí)間：109 ms；啟動(dòng)合閘時(shí)間：109 ms；完成合閘時(shí)間：169 ms；完成切換時(shí)間：169 ms。而敏感類(lèi)負(fù)荷并不能忍受169 ms的切換時(shí)間而不跳閘。常規(guī)工程定義的快切裝置整個(gè)切換時(shí)間=快切控制器的判斷及出口時(shí)間+常規(guī)開(kāi)關(guān)分閘時(shí)間+常規(guī)開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間，而這個(gè)切換時(shí)間一般均大于100 ms。

3 快速開(kāi)關(guān)抗晃電技術(shù)

3.1 快速開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介

快速開(kāi)關(guān)采用電磁斥力原理[1]的“渦流驅(qū)動(dòng)”技術(shù)，是一種電容器儲(chǔ)能的渦流盤(pán)驅(qū)動(dòng)的永磁保持的直動(dòng)式真空斷路器[2]，分閘時(shí)間小于5 ms，合閘時(shí)間小于15 ms。

斥力金屬渦流盤(pán)平時(shí)非常接近線圈，當(dāng)電容對(duì)線圈放電時(shí)，線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)渦流盤(pán)，渦流盤(pán)中感應(yīng)出渦流；伴隨渦流出現(xiàn)的是感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與線圈的磁場(chǎng)永遠(yuǎn)相反，兩個(gè)磁場(chǎng)之間就產(chǎn)生斥力，驅(qū)動(dòng)渦流盤(pán)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)線圈附近，通過(guò)連桿帶動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，完成開(kāi)關(guān)合分閘動(dòng)作。

3.2 快速切除技術(shù)

末端支路或單負(fù)載支路均可采用快速開(kāi)關(guān)，即快速開(kāi)關(guān)取代了現(xiàn)在常用的彈簧儲(chǔ)能的中速真空斷路器。其一次方案如圖2 所示。

圖2 快速切除技術(shù)一次方案

采用快速開(kāi)關(guān)不影響微機(jī)綜保及其他保護(hù)設(shè)備的配置。短路故障時(shí)，由快速開(kāi)關(guān)配套的快速判斷控制單元驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)20 ms 內(nèi)切除故障支路，而微機(jī)綜保起到后備保護(hù)作用。欠壓、過(guò)壓及過(guò)流等常規(guī)保護(hù)，仍由微機(jī)綜保驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)分合。

3.3 深度限流維持母線電壓技術(shù)

根據(jù)支路負(fù)荷電流及額定電壓，可以計(jì)算負(fù)荷阻抗，假定在該支路配置一個(gè)等效阻抗，且與快速開(kāi)關(guān)并聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)深度限流維持母線電壓。其一次方案如圖3 所示。

圖3 深度限流維持母線電壓技術(shù)一次方案

如圖3 所示，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，k1/k2 和k0均合閘，等效阻抗Z 不投入系統(tǒng)。當(dāng)下級(jí)分配電室出現(xiàn)短路故障時(shí)，快速測(cè)控單元驅(qū)動(dòng)快速開(kāi)關(guān)可在20 ms 內(nèi)將Z 投入系統(tǒng)中，將支路短路電流限制為額定電流，并將母線殘壓恢復(fù)到額定電壓的90 %以上，將事故影響范圍縮小到最小化。當(dāng)短路故障被k2 切除后，快速測(cè)控單元立即給快速開(kāi)關(guān)k0發(fā)出合閘命令，等效阻抗Z 退出，本支路正常運(yùn)行。

系統(tǒng)等效模型圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)等效模型

圖中Z0為電源側(cè)的總阻抗，Z1為負(fù)荷等效阻抗，k0 為快速開(kāi)關(guān)。正常工作狀態(tài)k0 合閘，即為額定電流，當(dāng)d1 點(diǎn)出現(xiàn)短路故障，即為短路電流，此時(shí)k0 動(dòng)作分閘，Z1投入系統(tǒng)，則快速抬升了系統(tǒng)側(cè)電壓，維持了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；短路故障解除后，此時(shí)快速測(cè)控單元檢測(cè)電流約為額定電流的1/2 倍，則認(rèn)為短路故障解除，命令K0 合閘，系統(tǒng)恢復(fù)初始運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)然，在實(shí)際工程應(yīng)用中考慮到繼電保護(hù)的相互配合性，等效阻抗一般是小于實(shí)際負(fù)載阻抗的，抬升系統(tǒng)電壓到90 %左右。

深度限流維持母線電壓技術(shù)適用于多負(fù)載支路，常用于開(kāi)閉所的進(jìn)線側(cè)或總降站的多負(fù)載饋出線側(cè)。

3.4 雙電源快速切換技術(shù)

對(duì)于電源側(cè)故障，想實(shí)現(xiàn)真正有效的快切功能，維持生產(chǎn)供電連續(xù)性，不至于有負(fù)荷停機(jī)或跳閘，得從“快”的各個(gè)方面來(lái)保證才行。測(cè)控單元和開(kāi)關(guān)必須都得“快”，快速開(kāi)關(guān)的分閘時(shí)間較常規(guī)開(kāi)關(guān)要快6～10 倍，合閘時(shí)間要快3～6 倍，只要測(cè)控單元判斷出口+快速開(kāi)關(guān)的分閘時(shí)間+快速開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間＜最敏感負(fù)荷的低電壓忍受時(shí)間，則應(yīng)該是有效的快速切換。雙電源快速切換技術(shù)一次方案如圖5 所示。

圖5 雙電源快速切換技術(shù)一次方案

為達(dá)到最佳使用效果，應(yīng)滿足下列先決條件：存在兩路正常狀態(tài)下互相獨(dú)立的同步電源，單路電源容量可以承載切換后的所有負(fù)荷，負(fù)載側(cè)不應(yīng)有發(fā)電機(jī)或風(fēng)、光、儲(chǔ)等其他電源。

4 快速開(kāi)關(guān)抗晃電技術(shù)的應(yīng)用案例

4.1 系統(tǒng)主接線的優(yōu)化

圖6為晃電事故實(shí)例主接線圖(圖1)的優(yōu)化。圖中k1，k2 表示普通開(kāi)關(guān)(常規(guī)彈簧儲(chǔ)能式真空斷路器)，k0，k3 表示快速開(kāi)關(guān)(渦流驅(qū)動(dòng)電容儲(chǔ)能式真空斷路器)，Z 為等效負(fù)荷阻抗。

圖6 優(yōu)化后一次主接線

4.2 快速開(kāi)關(guān)抗晃電應(yīng)用分析

4.2.1 深度限流維持母線電壓技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)饋出線的下級(jí)站污水變回路d1 點(diǎn)出現(xiàn)短路故障，則110 kV 總降站熱電饋線開(kāi)關(guān)柜內(nèi)k0 快速動(dòng)作20 ms 內(nèi)投入負(fù)荷等效阻抗Z，將該支路短路電流限制到接近額定電流水平，抬升總降站10 kV母線電壓到90 %左右。總降站因該支路短路導(dǎo)致的電壓凹陷時(shí)間縮短至敏感負(fù)荷可以忍受的范圍內(nèi)，有效確保非故障支路的其他負(fù)荷正常供電。短路故障最終由末端開(kāi)關(guān)k2 切除，當(dāng)短路故障切除后，k0 自動(dòng)合閘將等效阻抗Z 退出。

4.2.2 雙電源快速切換技術(shù)應(yīng)用

在熱電、北區(qū)、南區(qū)、綜合等開(kāi)閉所的進(jìn)線側(cè)配置雙電源快速切換技術(shù)，即采用快切控制器和快速開(kāi)關(guān)的配合，當(dāng)d2 或d3 點(diǎn)任何一處出現(xiàn)短路故障，快速開(kāi)關(guān)將故障電源切除，利用正常健康電源給兩段母線同時(shí)供電。應(yīng)用后，低電壓時(shí)間大幅度縮短，電機(jī)類(lèi)負(fù)荷磁場(chǎng)衰減極小，磁場(chǎng)瞬時(shí)重建，變頻器、繼電器等敏感類(lèi)設(shè)備不至于停機(jī)或跳閘。

4.2.3 快速切除技術(shù)應(yīng)用

快速切除技術(shù)一般應(yīng)用于末端支路，對(duì)于本工程如果經(jīng)濟(jì)允許完全可以在各開(kāi)閉所的饋線采用快速開(kāi)關(guān)，一方面可以提升供電連續(xù)性，另一方面也可以大幅度縮小末端支路電纜的截面，降低工程造價(jià)[3-5]。當(dāng)然上述深度限流維持母線電壓技術(shù)和雙電源快速切換技術(shù)的應(yīng)用已大幅度降低了晃電事故的影響，已基本滿足企業(yè)的用電連續(xù)性需求，具體是否則增設(shè)快速切除技術(shù)的設(shè)備取決于投資預(yù)算。

5 結(jié)論

總之，利用快速開(kāi)關(guān)的快速切除技術(shù)可在20 ms 內(nèi)切除故障支路；利用快速開(kāi)關(guān)+等效阻抗的深度限流維持母線電壓技術(shù)可有效確保該支路故障不至于影響上級(jí)母線的其他設(shè)備安全運(yùn)行；利用快速開(kāi)關(guān)的雙電源快速切換技術(shù)可減小因電源側(cè)故障影響下級(jí)負(fù)荷供電連續(xù)性；同時(shí)快速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用可大幅度減小電機(jī)磁場(chǎng)衰減，有效降低電機(jī)的二次沖擊。相信快速開(kāi)關(guān)在抗晃電領(lǐng)域會(huì)有更廣的應(yīng)用。